CN105915205A - 一种高灵敏度电容触控按键及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供了一种高灵敏度电容触控按键及其实现方法，其中高灵敏度电容触控按键包括以PCB板为载体设置的感应电容、分布电容、发生器及整流电路，还包括稳压器、电源单元、放大器、模数转换器、数模转换器和滤波器，感应电容与分布电容以并联方式分别与发生器、整流电路相连，发生器与电源单元之间通过稳压器建立连接；整流电路与模数转换器之间以及整流电路与数模转换器之间均通过放大器建立连接，放大器包括正、负输入端及输出端，整流电路与正输入端相连，数模转换器与负输入端相连，同时模数转换器与数模转换器之间通过滤波器建立连接，藉由前述构造，解决了高灵敏度电容触控按键的技术问题，达成了性能稳定且易于制成及降低成本的良好效果。

Description

一种高灵敏度电容触控按键及其实现方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤指提供一种高灵敏度电容触控按键及其实现方法。

背景技术

电容触控按键的基本工作原理是通过检测电容式触控感应按键的上分布电容的变化来判断是否有手指按压在触控按键上。如果不触摸开关，触控按键分布电容有一个固定的电容值，如果我们用手指接触开关，就会增加触控按键的分布电容。所以，我们测量触控按键上分布电容的变化，就可以侦测触摸动作。

电容式触摸感应按键的基本原理是：当人体（手指）接触金属感应片的时候，由于人体相当于一个接大地的电容，因此会在感应片和大地之间形成一个电容，感应电容量通常有几pF到几十pF。利用这个最基本的原理，在外部搭建相关电路，就可以根据这个电容量的变化，检测是否有人体接触金属感应片。但是在多数家电产品的应用中由于有安全和美观等方面的因素，在金属感应片上会放置一层玻璃等绝缘覆盖物，人体通过覆盖物与金属感应片进行耦合，这样就使得感应电容量下降到几pF。不过，有些应用由于电路板上有数码显示器和LED等零部件而不能在覆盖层下直接安置印刷电路板，也不能将印制电路板连接到设备外壳上，利用弹簧构建电容式感应器电容式感应相对于传统机械开关而言是一种稳健的替代方案。这类应用包括炉灶、洗衣机、电冰箱、微波炉等家用电器。

目前，应用在家电产品中的电容触控按键主要有三种实现方式：

第一种，在触控按键上施加一个振幅和频率固定的方波，通过测试方波的平均电流而得到触控按键上的分布电容值；

第二种，搭建一个多谐振荡电路，使得触控按键上的分布电容为谐振电容，通过测试多谐振荡电路的振荡频率而得到触控按键上的分布电容值；

第三种，在触控按键上施加一个阶跃信号，通过测量该信号的上升或下降时间而得到触控按键上的分布电容值。

目前，已有的电容式触控按键检测技术存在一个普遍问题是对电容检测的灵敏度不高，能够稳定检测到的触控按键分布电容的最小变化量大致在几pF的范围。在这样的（检测灵敏度）条件下对触控按键的结构就会有比较大的限制，例如在电磁炉和油烟机等家电产品的应用中，由于电路板上有数码显示器和LED等零部件不能在覆盖层下直接安置印刷电路板，也不能将印制电路板连接到设备外壳上，为了保证在人的手指触摸时有足够大的电容变化，必须在PCB板上安装金属弹簧，在实际应用中采用金属弹簧感应器的方式也存在者诸多缺点，例如由于每个按键都要装一个弹簧，而弹簧的成本较高，在生产过程中弹簧的安装及焊接均较复杂，导致生产成本较高。另外在产品的实际使用过程中如果受到大的震动或冲击，还容易使得弹簧脱离其安装的位置，导致触控功能失效。由于现有方案对触控按键分布电容的检测灵敏度不够，当需要的触控按键的键数较多时，就比较难采用矩阵扫描的方式进行按键扫描，或者在组成矩阵扫描形式的触控按键阵列时要通过减小覆盖物的厚度等措施以保证触控按键分布电容检测的灵敏度，在实际应用中会碰到较大的限制。

由于现有方案对触控按键分布电容的检测灵敏度不够高，在智能开关等应用中无法做到远距离人体感应的接近感应的功能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种高灵敏度电容触控按键。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种高灵敏度电容触控按键，包括以PCB板为载体设置的电容、发生器及整流电路，还包括稳压器、电源单元、放大器、模数转换器、数模转换器和滤波器，其中：电容包括人体手指触摸时的感应电容及触控按键感应片的分布电容，感应电容与分布电容以并联方式分别与发生器、整流电路相连，发生器与电源单元之间通过稳压器建立连接；整流电路与模数转换器之间以及整流电路与数模转换器之间均通过放大器建立连接，其中：放大器包括正、负输入端及输出端，整流电路与正输入端相连，数模转换器与负输入端相连，同时模数转换器与数模转换器之间通过滤波器建立连接。

在本实施例中优选，发生器包括可预置分频器、多路选择器和恒流开关；滤波器包括中央处理器及第一至四预存器。

在本实施例中优选，整流电路为同步整流电路，包括模拟乘法器。

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种实现高灵敏度电容触控按键的方法。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种实现高灵敏度电容触控按键的方法，包括：

稳压器为低压差线性稳压器，用于产生一个稳定的电压；

发生器为高频恒流脉冲发生器，与稳压器的输出端连接，藉此为稳压器提供电源；

整流电路通过可预置分频器将系统时钟根据预设值分频为设定频率的触控扫描时钟信号，时钟信号分别送给多路选择器和模拟乘法器；

放大器为可变增益放大器，其放大增益由中央处理器通过第一预存器进行控制，其中：放大器正输入端与模拟乘法器输出相连，负输入端与数模转换器相连，输出端与模数转换器相连；

模数转换器将模拟输入电压转换成数字信号送到中央处理器读取后，根据设定的带宽和增益进行带宽低通滤波计算，滤除采样信号中的高频分量后输出到第二预存器作为数模转换器的数字输入，以及

数模转换器将输入的数字量转换为模拟电压输出到负输入端。

在本实施例中优选，电源单元经过稳压器产生一个稳定的电压作为发生器的电源，发生器产生一个频率为1~8MHz高电平时输出电流恒定的连续脉冲信号并将此脉冲信号作为触控按键的激励信号，由此可得到公式：

C=It/U；

其中：C=Cf+Cd，I、t分别为发生器的电流和高电平时间，U为触控按键端口的电压值，由于I和t为常量，测得电压U值得出电容C的大小，由此，人体手指触摸时的感应电容为公式：

；

当Cd > Cf时，ΔU和ΔCf分别为两次不同时间的U和Cf的差值。

在本实施例中优选，模数转换器输出的数字信号值公式为：

VADC=k*Cf=G（U-k1*Cd）；

其中VADC为模数转换器的输出值，k为整个触控检测电路的增益，G为放大器的增益，k1为触控电路输入端经过放大器及滤波器到放大器负端的增益。

在本实施例中优选， 多路选择器采用8输出多路选择器，恒流开关采用不同输出电流的8个恒流开关；第一、第二、第三及第四预存器均采用8位预存器；数模转换器采用8位数模转换器以及模数转换器采用16位模数转换器。

在本实施例中优选，8输出多路选择器根据中央处理器的设定将触控扫描时钟信号输出到被选定的恒流开关的控制端，8个恒流开关分别具有输出端，分别的输出端输出一个频率和电流并受中央处理器控制其高频恒流脉冲。

在本实施例中优选，高频恒流脉冲将会在触控按键感应片上产生一个交流电压，其电压值跟感应电容、分布电容之和成反比，且交流电压信号经过由模拟乘法器后在电容上产生一个直流电压。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：

本发明通过大幅提高电容式触控按键的检测灵敏度，使得触控按键的机械结构大幅简化，整体的电气性能大幅提高，将使得家电行业的触控按键的应用范围得以大幅的拓展，从而获得此项技术的各类厂商取得巨大的经济效益，具体地讲：通过提高触控按键电容检测的灵敏度，使得触控按键可以省去金属弹簧感应器而成为一种能够实现隔空感应的电容触控按键，并可很容易地实现矩阵扫描按键和隔空感应按键，使得触控按键的硬件和生产成本大幅降低、整个系统的可靠性和抗冲击震动大幅提高。

附图说明

图1是本发明实施例的方框结构示意图。

图2是图1的电路板结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

请参阅图1并结合参阅图2所示，本发明提供了包括一种高灵敏度电容触控按键，包括：与并联的感应电容Cf及分布电容Cd电性相连的高频恒流脉冲发生器（以下简称“发生器”）及同步整流电路（以下简称“整流电路”），还包括低压差线性稳压器LDO（以下简称“稳压器”）、电源单元VCC以及可变增益放大器PGA（以下简称“放大器”）、模数转换器ADC、数模转换器DAC和可变带宽低通滤波器（以下简称“滤波器”），其中：发生器与电源单元VCC之间通过稳压器LDO建立连接；整流电路与模数转换器ADC以及整流电路与数模转换器DAC之间均通过放大器PGA建立连接，同时模数转换器ADC与数模转换器DAC之间通过滤波器建立连接。在本实施例中，感应电容Cf为人体手指触摸时的感应电容，分布电容Cd为触控按键感应片的分布电容。

请再参阅图2所示，本发明提供了一种高灵敏度电容触控按键的实现方法，包括：

电源单元VCC经过稳压器LDO产生一个稳定的电压作为发生器的电源，发生器产生一个频率为1~8MHz高电平时输出电流恒定的连续脉冲信号并将此脉冲信号作为触控按键的激励信号，由此可得到公式：

C=It/U；

其中C=Cf+Cd，I、t分别为发生器的电流和高电平时间，U为触控按键端口的电压值，也就是电容C上的电压值。由于I和t为常量，只要测得电压U的值就可以得出电容C的大小，由此人体手指触摸时的感应电容Cf为：

；

当Cd > Cf时，ΔU和ΔCf分别为两次不同时间的U和Cf的差值，然而，普通型触控按键其Cf的电容变化量大约在5~50pf之间，而隔空触控按键及矩阵或人体接近感应等应用的Cf电容变化量一般小于0.5pf，而且Cd的电容容量也会随着温度和时间的变化发生变化，其电容的变化量一般在0.1~1pf左右。所以为了能够稳定地检测出0.5pf以下的电容变化，不能通过简单地提高电路的放大器增益，因为这样会导致放大器出现饱和问题。

于是，在本发明中，高灵敏度电容触控的检测方法是，电路由整流电路、放大器PGA、模数转换器ADC、滤波器和数模转换器DAC构成。从输入端输入的交流电压信号经过整流电路转换成直流信号，经过放大器PGA放大并经过模数转换器ADC转换成数字信号，为了避免放大器PGA饱和，需要在数字信号中提取分布电容Cd的分量，并将它经过数模转换器DAC转成模拟量后送到放大器PGA的负端，藉此避免放大器PGA饱和的技术问题，放大器PGA的增益增加使得触控检测的灵敏度大幅提高。

为了在模数转换器ADC输出的数字信号中有效地分离出分布电容Cd的分量，滤波器通过对感应电容Cf和分布电容Cd的变化进行频谱分析而获得。在本实施例中，人体手指感应导致的感应电容Cf变化的频率一般大于5Hz，而触控按键分布电容Cd会因环境影响导致的分布电容Cd变化的频率一般小于1Hz，因此采用一个频谱特性较好的滤波器就可以把分布电容Cd的分量提取出来，并可通过数模转换器DAC转换成模拟信号后送到放大器PGA的负输入端，如此即可有效地提取出感应电容Cf的分量。经过以上处理后最终模数转换器ADC输出的数字信号值可由下列公式表示：

VADC=k*Cf=G（U-k1*Cd）；

其中VADC为模数转换器ADC的输出值，k为整个触控检测电路的增益，G为放大器PGA的增益，k1为触控电路输入端经过放大器PGA及滤波器到放大器PGA负端的增益。这样通过检测模数转换器ADC的输出值就能够得到触控按键的电容值及其变化值，由于整个回路的增益可以达到普通触控检测电路增益的10倍以上，因此采用这种检测方法可以实现高灵敏度的触控检测功能。

为了增进了解，下面再简单说明各组件功能（结合参阅图2）：

低压差线性稳压器LDO，用于产生一个稳定的电压，此电压作为高频恒流脉冲发生器的电源；

高频恒流脉冲发生器由可预置分频器、8输出多路选择器和不同输出电流的8个恒流开关组成；可预置分频器将芯片内部的系统时钟根据预设值分频为设定频率的触控扫描时钟信号，时钟信号分别送给8输出多路选择器和由模拟乘法器组成的同步整流电路；8输出多路选择器根据中央处理器CPU的设定将触控扫描时钟信号输出到被选定的恒流开关的控制端，如此即可在恒流开关的输出端输出一个频率和电流受CPU控制的高频恒流脉冲，此脉冲通过芯片的引脚输出到触控按键感应片并作为触控电容检测的激励源；可预置分频器和8输出多路选择器的参数设定由CPU通过8位预存器3和8位预存器4进行控制；

高频恒流脉冲将会在触控按键感应片上产生一个交流电压，其电压值跟感应电容Cf、分布电容Cd之和成反比，这个信号经过由模拟乘法器组成的同步整流电路后在电容Cmod上产生一个直流电压U。

可变增益放大器PGA有两个输入端（正输入端和负输入端）和一个输出端，其放大增益由中央处理器CPU通过8位预存器1进行控制。可变增益放大器的正输入端与模拟乘法器的输出相连，其输入电压即为电压U，可变增益放大器的负输入端接到8位数模转换器DAC的模拟输出端，可变增益放大器的输出接到16位模数转换器的模拟输入端，即可得Vin=G(U-VOUT），其中G为PGA的放大增益；

16位模数转换器ADC将模拟输入电压转换成16位数字量，此数字信号被送到CPU进行处理。

可变带宽低通滤波器包括CPU，CPU读到ADC输出的数字信号后即开始根据设定的带宽和增益进行IIR低通滤波计算，滤除采样信号中的高频分量后输出到8位预存器2作为DAC的数字输入。CPU进行数字低通滤波计算的带宽和增益参数可根据不同的应用场合灵活配置；

8位数模转换器DAC将输入的数字量转换为模拟电压输出到PGA的负输入端。

以上各电路模块即构成一个闭环的触控电容检测系统。

Claims (9)

1.一种高灵敏度电容触控按键，包括以PCB板为载体设置的电容、发生器及整流电路，还包括稳压器、电源单元、放大器、模数转换器、数模转换器和滤波器，其中电容包括人体手指触摸时的感应电容及触控按键感应片的分布电容，其特征在于：感应电容与分布电容以并联方式分别与发生器、整流电路相连，发生器与电源单元之间通过稳压器建立连接；整流电路与模数转换器之间以及整流电路与数模转换器之间均通过放大器建立连接，其中：放大器包括正、负输入端及输出端，整流电路与正输入端相连，数模转换器与负输入端相连，同时模数转换器与数模转换器之间通过滤波器建立连接。

2.如权利要求1所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于：发生器包括可预置分频器、多路选择器和恒流开关；滤波器包括中央处理器及第一至四预存器。

3.如权利要求2所述的高灵敏度电容触控按键，其特征在于：整流电路为同步整流电路，包括模拟乘法器。

4.一种实现如权利要求1至3任一项所述的高灵敏度电容触控按键的方法，其特征在于，包括：

稳压器为低压差线性稳压器，用于产生一个稳定的电压；

发生器为高频恒流脉冲发生器，与稳压器的输出端连接，藉此为稳压器提供电源；

整流电路通过可预置分频器将系统时钟根据预设值分频为设定频率的触控扫描时钟信号，时钟信号分别送给多路选择器和模拟乘法器；

放大器为可变增益放大器，其放大增益由中央处理器通过第一预存器进行控制，其中：放大器正输入端与模拟乘法器输出相连，负输入端与数模转换器相连，输出端与模数转换器相连；

模数转换器将模拟输入电压转换成数字信号送到中央处理器读取后，根据设定的带宽和增益进行带宽低通滤波计算，滤除采样信号中的高频分量后输出到第二预存器作为数模转换器的数字输入，以及

数模转换器将输入的数字量转换为模拟电压输出到负输入端。

5.如权利要求4所述的实现高灵敏度电容触控按键的方法，其特征在于：电源单元经过稳压器产生一个稳定的电压作为发生器的电源，发生器产生一个频率为1~8MHz高电平时输出电流恒定的连续脉冲信号并将此脉冲信号作为触控按键的激励信号，由此可得到公式：

C=It/U；

其中：C=Cf+Cd，I、t分别为发生器的电流和高电平时间，U为触控按键端口的电压值，由于I和t为常量，测得电压U值得出电容C的大小，由此，人体手指触摸时的感应电容为公式：

；

当Cd > Cf时，ΔU和ΔCf分别为两次不同时间的U和Cf的差值。

6.如权利要求5所述的实现高灵敏度电容触控按键的方法，其特征在于：模数转换器输出的数字信号值公式为：

VADC=k*Cf=G（U-k1*Cd）；

其中VADC为模数转换器的输出值，k为整个触控检测电路的增益，G为放大器的增益，k1为触控电路输入端经过放大器及滤波器到放大器负端的增益。

7.如权利要求6所述的实现高灵敏度电容触控按键的方法，其特征在于： 多路选择器采用8输出多路选择器，恒流开关采用不同输出电流的8个恒流开关；第一、第二、第三及第四预存器均采用8位预存器；数模转换器采用8位数模转换器以及模数转换器采用16位模数转换器。

8.如权利要求7所述的实现高灵敏度电容触控按键的方法，其特征在于： 8输出多路选择器根据中央处理器的设定将触控扫描时钟信号输出到被选定的恒流开关的控制端，8个恒流开关分别具有输出端，分别的输出端输出一个频率和电流并受中央处理器控制其高频恒流脉冲。

9.如权利要求8所述的实现高灵敏度电容触控按键的方法，其特征在于：高频恒流脉冲将会在触控按键感应片上产生一个交流电压，其电压值跟感应电容、分布电容之和成反比，且交流电压信号经过由模拟乘法器后在电容上产生一个直流电压。